Materjaliõpetus - metallid (2)

Metallid on läbipaistmatud, iseloomuliku läikega, plastsed , suure soojus ja elektrijuhtivusega ained. Omadused sõltuvad aine atomaarsest sktruktuurist ja aatomite ruumilisest paiknemisest.
Amorfsetes ainetes on aatomite asetus korrapäratu, kaootiline ; kristallilistes ainetes asuvad aatomid korrapäraselt, kindlal kaugusel üksteisest, moodustades geomeetrilisi kujundeid – kristallvõresid. Kõikidel metallidel on tahkes olekus kristalliline ehitus.
Metalliside : tüüpiliste metallide aatomeis on üsna vähe valentselektrone – 1, 2 või 3. Metallide aatomeis valentselektronid eralduvad aatomeist ja moodustavad elektrongaasi, mis levib kogu kristalli ulatuses. Ioone liidavad sillaks külge tõmbejõud, mis moodustavad nende ja elektrongaasi vahel.
Metallide omadused : 1) metallid on plastselt deformeeritavad – kuju saab välisjõudude mõjul muuta, ilma et puruneks. Deformeerimisel nihkuvad metalli kristallide osad mööda kristallvõre teatud tasapindu – nihkepinnad.
2)Enamikule metallidele omane polümorfsus – esinemine erinevais kristallilistes kujudes . Püsivaimaks võretüübiks on see, mille puhul metalli energiavaru ehk vabaenergia on väikseim. Temperatuuri, rõhu jt. Tingimuste muutudes muutub ka vabaenergia, võib muutuda ka metalli valents, mis kutsub esile võimaliku kristallvõre muutuse. Sama metalli erinevaid polümorfseid kujusid tähistatakse tähtindeksiga alfa, beeta jne. Temperatuur, mille juures metalli kristallvõre muutub, nim. kriitilisteks punktideks. Suurema tihedusega kristallvõred esinevad madalates temperatuuridel .
3) Kõik metallid kristalliseeruvad kindlal temperatuuril – kristalliseerumistemperatuur.
Amorfsed metallid – Amorfne oleks on seda püsivam, mida keerulisem on metalli või sulami kristallvõre ja mida suurem on aatomite vastastikune mõju. Lääne Euroopas „metaglas” .
Sulamid : Sulam on aine , mis on saadud kahe või enama metalli või metalli ja mittemetalli kokkusulatamise , kokkupaagutamise või elektrolüütilise koossadestamise teel. Sulami struktuuri ja selles toimuvate muutuste kirjeldamisel vaadeldakse sulamit süsteemina – antud tingimustes muutumatuna, tasakaalus püsivate faaside kogumina. Faas on süsteemi koostiselt ja olekult ühtne osa, mis on teistest osadest eraldatud kindla eralduspinnaga. Pseudosulam – näiline (harjad – vask).
Struktuuriosad : mehaaniline segu tekib sulamis siis, kui tõmbe või tõukejõud erinevate komponentide aatomite vahel on tunduvalt nõrgemad komponendi enda aatomite vahelistest jõududest. Komponentide kindla suhte korral moodustub vedelast lahusest mõlema komponendi üheaegse kristalliseerumise tõttu ühtlane peeneteraline struktuur – eutektikum.
Tahked lahused on sulamid, mille puhul ühe komponendi aatomid paiknevad teise komponendi kristallvõres, moodustades faasi. Asendustüüpi tahketes lahustes on osa põhimetaali aatomeid asendunud teise komponendi aatomitega. Kui aatomite mõõtmete erinevus kuni 8 %, esineb piiramatu (täielik) lahustuvus ; 8-15 % tekivad piiratud lahustuvusega tahked ained ja üle 15% metallid enamasti asendustüüpi tahkeid lahusteid ei moodusta. Sisestustüüpi tahketes lahustes paiknevad lahustuva komponendi aatomid põhimetalli aatomite vahel. Piiratud lahustuvus väheneb temperaturi langedes. Harva on metaalisulameis ka vakantstüüpi tahkeid lahuseid, mille kristallvõresse jääb vabu sõlmi. Sellised lahused moodustuvad vaid keemiliste ühendite alusel.
Tahkete lahuste kõvadus ja tugevus on tavaliselt tunduvalt suurem, plastsus väiksem kui sulami komponentidel. Kasutatakse konstruktsioonimaterjalidena. Hästi sepistatavad, lõigatavus ja valatavus raskendatud.
Keemilised ühendid moodustuvad sulamis siis, kui erinevate komponentide aatomite vahelised jõud ületavad tunduvalt sama elemendi aatomite vahel mõjuvaid jõude. Keemilist ühendit iseloomustab komponentide kristallvõredest erinev võre, millele on omane komponentide aatomite korrapärane paigutus ja lihtne täisarvkordne suhe komponentide aatomite vahel. Lisaks kindel sulamitemperatuur ja hüppeline omaduste muutus sõltuvalt koostisest.

Normaalvalentsiga keemilised ühendid, mida moodustavad metallid mittemetallidega ( Feo) 2) Metallidevahelised e. Intermetalsed keemilised ühendid , millest mõned võivad olla ka muutuva koostisega.
Faasidiagrammid : kahekomponendiliste sulamite diagrammide aluseks on kontsentratsioonisirge, mille otspunktid vastavad 100 % puhtale komponendile ja iga vahepunkt vastab kindlale sulamile, vertikaalteljel on temperatuur. Diagrammid koostatakse termilisel meetodilkatsete aluselsaadud sulamite jahtumiskõverate järgi, kandes diagrammile kõik sulami kriitilised temperatuurid, mille juures toimub järsk jahtumiskiiruse muutus või temperatuuriseisak.
Kristallvõre defektid : 1) Punktdefektid - vakants (vabaksjäänud sõlm kristallvõres ja sõlmede vahekohtades asuvad põhimetalli aatomid) ; lisandite aatomid põhimetalli kristallvõre sõlmedes või sõlmede vahel.

Joondefektid – dislokaatorid ( sirg -või kõverjoonelised kristallpindade katkekohad) , mõjutavad tunduvalt kristalliterade tugevust ümberpaiknemise tõttu , vähendades voolavuspiiri 1000 korda.

Pinddefektid – teradevahelised eralduspinnad ja terasisesed dislokatsioonidest piiratud kristallvõre katkepinnad. Mõjutavad metallide omadusi – mida rohkem eralduspindu, seda kõrgem voolavuspiir , suurem sitkus ja väiksem haprus .
Tera kasv – peeneteraline struktuuriga metall püüab liigsest energiast vabaneda terade liitumise teel. Tera kasvu soodustavad : Temperatuur ( selle tõusuga suureneb väikeste terade energeetiline ebapüsivus ja aatomite difusioonikiirus) ; Aeg ( pikema aja kestel toimub samal temperatuuril tera kasv suuremal määral) ; Ebaühtlase teralisuse korral väiksemad terad liituvad suurematega kergemini, kui ühtlased omavahel. ; soodustab ka lisandite puudumine terade vahel.
Kujumuutuse ulatust iseloomustab deformatsiooniaste , mis määratakse proovikeha ristlõike suhtelise vähenemisena ( traadi tõmbamisel) või suurenemisena , tähiseks E .
Faasidiagrammil vaadeldakse sulameid püsivas olekus – tasakaalus oleva süsteemina, kus kehtib faaside e. Gibbsi reegel. Näitab, kas sulamis toimub mingi muutus püsival temperatuuril või teatud temperaatuurivahemikus ja kui palju faase võib sulamis üheaegselt olla. Kahekomponedilises sulamis on suurim võimalik üheaegne faaside arv 3 ; kindla koostise ja püsiva temperatuuri korral.
Faaside koguste määramiseks kasutatakse kangi ehk lõikude reeglit : faaside kaalulised kogused sulamis antud temperatuuril on pöördvõrdelised antud punkti läbiva horisontaali lõikudega.
Külmalt plastne deformeerimine kutsub esile struktuurimuutuse ehk kalestumise . Kalestumine on seda ulatuslikum, mida suurem on deformatsiooniaste. Ebapüsiv kalestunud struktuur hakkab kuumutamisel muutuma püsivamaks. Kui metalli deformatsiooniaste ületab kriitilise piiri, siis edasisel kuumutamisel toimub rekristalliseerumine.